【科学漫谈|张华】祝您的航班逆风起飞一路顺风！——漫谈大气环流对飞行的影响
张华
北京航空航天大学航空科学与工程学院
（注：该文发表于2022年3月20日作者的个人“美篇”）
摘要：简介飞机逆风起降的原理和优点。重点介绍在地表热力不平衡和地转偏向力（科利奥利力）作用下大气环流和高空急流（西风）的形成和特点，分析大气环流和高空急流对高空飞行的影响，指出向东顺风飞行往往耗时短、经济节油，而向西逆风飞行则耗时长、油耗大。
有时会在机场听见送行的年轻人祝对方“一路逆风！”，听起来似乎合理又时尚，然而这句祝语却不完全科学。另外，如果乘同一架飞机在东、西方向的两地间往返飞行，哪一个航程耗时更短、更经济省油呢？或许有人说逆着地球自转的方向往西飞行耗时更短，然而答案却恰恰与此相反。要解释清楚上述问题，不仅需要搞清飞机升力的基本影响因素，还需要了解大气环流的形成及其对飞行的影响。
为了方便下面的讨论有必要先对几个概念给出说明。空速：飞机与空气的相对速度。地速：飞机在地面的投影与地面的相对速度。风速：流动空气相对于地面的速度，风速为0时空速与地速相同。风向：在地球上风的来向，例如从西向东刮的风称为西风，从东北向西南刮的风称为东北风。顺风：风的方向与飞行方向相同。逆风：风的方向与飞行方向相反。无论顺风还是逆风飞行，飞机必须达到足够的空速才能保证飞行的安全和可靠。
飞机的升力与空气密度、相对速度（空速）、机翼面积、无量纲升力系数（体现机翼形状和迎角对升力的影响）有关，可用下面的公式（1）表达：
飞机从地面滑跑起飞时，升力取决于飞机相对于空气的速度（空速）而非相对于地面的滑跑速度。飞机若逆风起飞将有效增加空速，从而只需要较小的滑跑速度即可获得离地起飞所需要的升力（对应的滑跑速度称为离地速度），有效缩短起飞滑跑距离，有利于避免起飞失败事故。飞机着陆时类似，若逆风着陆则可增大着陆风阻，减小接地速度，有效缩短滑跑距离，避免重着陆对结构带来不利影响，保障着陆安全。因此各国民航部门都对飞机起飞、着陆的风向有具体的规范规定。中国民用航空飞行规则第97条规定：“航空器通常应当逆风起飞和着陆”，满足一定安全条件下也可顺风起降，而机场跑道的方位则以当地常年主导风向为设计依据，因此民航客机通常都是逆风起飞和逆风着陆的，参见图1。
图1 飞机逆风起降将有效增加空速、缩短起飞滑跑距离、增大着陆风阻、减小着陆接地速度、提高起降安全性
一旦飞机爬升至巡航高度开始长距离巡航飞行时则与起飞情况有所不同，飞行会受到大气环流的影响。所谓大气环流是由于地表热力不平衡以及地转偏向力（科里奥利力）影响而产生的大气环形流动现象。由于赤道温度高、极地温度低，北半球上空的大气流动在不考虑地球自转的情况下将形成如图2所示的单圈热力环流。
图2 不考虑地球自转的北半球单圈环流
由于地球自转将产生地转偏向力，这是一种在旋转坐标系中的运动物体所具有的特殊惯性力，在其作用下北半球运动物体的运动方向将向右偏斜（南半球则向左偏斜），从而地球上空的空气流动将从图2 所示的单圈环流改变为图3 所示的三圈环流，其中包括低纬度环流、中纬度环流和高纬度极地环流以及对应的低层风带（低纬东北信风、中纬盛行西风和极地东风带）。视频1 是在地球上空热力循环和地转偏向力共同作用下形成大气三圈环流动画。
图3 考虑地球自转的北半球三圈环流和高空急流
视频1 地球上空热力循环和地转偏向力共同作用下形成大气三圈环流动画
另外如图3 所示在对流层顶至平流层底部的高空（约9-12公里高度）还存在着所谓的急流(jet stream)。高空急流是一种狭长而扁平的管状高速气流，其厚度约几公里，宽度可达几百公里，急流中风速一般都在30m/s以上，有的区域甚至可达100-150m/s甚至更大，急流周边通常伴随着风切变现象（风速在一定距离内发生明显变化），急流迂回曲折环绕整个地球。急流的产生也跟高空温度梯度形成的“热成风”以及地转偏向力密切相关，即急流的能量来自于太阳能产生的温差，地转偏向力决定了急流的方向。急流常出现在高空温度梯度较大的冷暖气团交界面（锋面）附近，参见图4 所示。
图4 大气环流、冷暖气流锋面及高空急流的关系截面图
例如，图3 中低纬环流与中纬环流的暖、冷气流在副热带高压上空相遇的锋面附近形成副热带急流（Subtropical jet stream，也称南支急流），中纬度环流和极地环流的暖、冷气流在副极地低压上空的交界面（极锋）附近形成极锋急流（Polar jet stream，也称温带急流或北支急流）。南、北半球中纬度高空的副热带急流和极锋急流都是狭窄、强烈且蜿蜒向东传播的西风急流，如图5 所示。急流蜿蜒波动并向东传播称为罗斯比波（Rossby wave），罗斯比波是由于地转偏向力沿不同纬度变化造成的，罗斯比波的传播速度低于急流速度。受季节、海陆分布等因素影响高空急流分布和风速也会变化。
图5 中纬度高空的副热带急流和极锋急流（均为西风）
民航客机巡航高度通常在对流层顶和平流层底即高度9-12公里之间，飞机在东、西方向往返飞行时，受此高空的风向影响在两地间往返飞行的时间往往有较大差别。飞机在两地间的飞行耗时取决于地速，顺风飞行可加大地速（地速等于空速加风速，严格上应按矢量和计算，下同），从而缩短飞行时间，有利于减小燃油消耗、减小载油量、多载乘客或货物。反之逆风飞行将减小地速（地速等于空速减风速），使飞行时间加长，增加燃油消耗。表1是笔者乘民航客机三次东、西方向往返飞行的耗时记录。
无论是在北半球还是南半球，一般来说在中纬度地区高空飞行的飞机受高空西风的影响都是东飞耗时短、西飞耗时长，这与猜测“逆着地球自转方向往西飞将耗时短”的直觉判断大相径庭。在越洋远程飞行中飞行员往往会在允许的范围内选择最佳的飞行航线，例如向东飞时选择沿急流顺风的航线飞行，以达到节省燃油、缩短飞行时间的目的，而向西飞时则选择远离急流或逆风较小的航线飞行。
图6 是日本东京和美国洛杉矶之间跨太平洋往返飞行的最佳航线，向东飞时选择沿急流顺风飞行（Jet Stream Route），向西飞时则避开急流飞行，即图中的“大圆航线”（Great Circle Route）。据称，法国与北美之间跨越大西洋的飞行，仅仅因为选择最佳航线这一项，曾经每年约节约1500万法郎。
图6 日本东京与美国洛杉矶之间最佳飞行航线：向东飞时沿急流顺风航线，向西飞时沿远离急流的航线
当然，由于高空急流中具有风切变（风在垂直和水平方向发生变化），并伴随着所谓的晴空湍流（Clear Air Turbulence, CAT）现象，遭遇晴空湍流时会在高空无云情况下产生颠簸和不适，几乎所有乘飞机的人都遭遇过高空颠簸现象如图7 所示，但一般不会造成像低空风切变一类的严重安全隐患。遭遇严重晴空湍流时可以采取措施离开湍流区。通常飞机上的雷达具有风切变探测功能，可以帮助飞行员规避严重的高空风切变。
图7 几乎所有乘飞机的人都遭遇过高空颠簸现象
综上，祝飞行“一路顺风”既包含了美好的祝愿也蕴含着合乎逻辑的的科学道理，让我们理直气壮地祝您的航班“逆风起飞、一路顺风”吧！
注1: 本文节选并改写自本人科普文章“北半球地漏漩涡一定是逆时针旋转的吗？”（载《力学与实践》2018年40期）第3节。
注2: 本文图片与视频均取自于网络公开资源。
作者简介：
张华，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，北京市高校教学名师，北京市优秀教师，中国力学学会全国优秀力学教师，“宝钢教育奖”优秀教师，北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师，北航“立德树人”优秀奖，北航“我爱我师-十佳教师”，北京力学学会科普委员会副主任，《力学与实践》杂志9、10届编委。主要研究方向：旋涡与分离流动，流动控制，激波边界层干扰，风工程，风洞水洞设计。
